不同地膜覆蓋對不同時間尺度地溫與玉米產量的影響

李仙岳 郭 宇 丁宗江 冷 旭 田 彤 胡 琦

(內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院， 呼和浩特 010018)

0 引言

因地膜覆蓋具有增溫、增產、控鹽等功能[1]，在減少土壤水分蒸發、提高農田作物水分利用效率、防止土壤鹽漬化等方面發揮著重要作用[2-3]。自1978年我國引入地膜覆蓋以來，得到了大規模推廣應用，僅在內蒙古河套灌區近10年地膜使用量和覆膜面積分別增長了125.81%和147.62%[4]，且在干旱寒冷地區，地膜覆蓋的保溫保水優勢更為明顯。然而目前農用地膜主要以透明的白色塑料為主[5]，經過大量學者研究，得出白色地膜覆蓋下由于作物生長前期水肥消耗大，容易出現脫水、脫肥現象[6-7]，特別是在作物生長后期隨著氣溫升高會伴隨著地溫過高現象出現，從而導致抽雄前后的重伏旱[8]，甚至出現作物減產等負面效應[8-9]。因此探索既能實現作物生長前期保溫又能在作物生長后期有效控制土壤溫度的最佳覆膜技術對于作物增產具有重要意義。黑色地膜透光率低，輻射熱透過少，覆膜后地溫比白色地膜略低[10]，大量研究表明黑色地膜覆蓋比白色地膜覆蓋增產效應更明顯[11-12]，且較白色地膜更能改善玉米根區土壤溫度，可見篩選適合的地膜，對當地作物生長及農業高產具有重要意義[12]。

隨著國家綠色農業發展戰略的推進，對于主要由聚乙烯塑料制成白色地膜產生的“白色污染”受到越來越多學者的關注[13-15]。研究表明，隨著農膜殘留增加，會明顯影響土壤入滲和作物根系發育，使土壤理化性質惡化，影響土壤微生物的多樣性，最終影響作物生長并導致作物減產[16-18]。目前主要解決措施是推廣生物可降解地膜覆蓋技術[19]，已有研究表明生物可降解地膜在自然狀況下會自降解成CO2和H2O，如覆膜200 d后可降解地膜的降解殘留物已經非常少，對環境影響很小[20]，同時降解地膜的保水、保溫、增產效應與塑料地膜相近[21-22]。與塑料地膜相比生物降解地膜甚至提高了土壤有機質質量分數，降低了土壤硝態氮累積量[23]，還有效降低油菜籽粒中對人體健康不利的芥酸和硫苷含量[24]。可降解地膜的降解快慢是影響土壤水熱效應、作物產量以及感官接受度的重要因素，降解過快會導致地膜破損嚴重，致使生長后期保水效果減弱；而降解過慢，除了制造成本增加外也會導致農民認為與塑料地膜一樣是不可降解的，故針對干旱區篩選出適合當地的降解膜及降解速率是可降解地膜推廣的關鍵技術。其中不同降解速率的降解膜之間最重要和明顯的差異是代表地膜降解快慢的破損占比以及對地表溫度和土壤溫度的影響程度。研究顯示0.005 mm厚可降解地膜的降解速率及強度均優于0.008 mm厚地膜，但0.008 mm 厚膜覆蓋玉米的保溫效果、出苗率及生長性狀等均稍優于前者[25]。一般地膜越薄或降解速率越快保溫效果相對越差，比如0.010 mm和0.012 mm厚完全生物可降解地膜處理下棉花苗期土壤0～25 cm平均溫度較對照處理分別低0.94℃和1.34℃(P<0.05)，但隨著作物的生長兩者差異逐漸減小[26]。目前地膜覆蓋對地溫的影響，主要采用曲管水銀地溫計測量土壤耕層的土壤溫度，但無法測量地表溫度和地膜表面溫度，而紅外成像技術已被大量用于葉表面溫度監測[27]，其結果可用于作物水分脅迫指數[28]、葉片病變程度等[29]方面的研究，利用該技術能準確監測地膜覆蓋下地表溫度的分布規律，是用于地膜破損程度和蒸發模擬研究的關鍵。可見針對地膜覆蓋下地表和土壤溫度的系統研究對于地膜篩選具有重要意義，然而對于不同顏色和不同降解速率的可降解地膜覆蓋下地表和土壤溫度的綜合影響效應的研究目前鮮見報道。

本研究主要針對北方干旱寒冷地區，基于紅外成像技術和自動連續傳感技術探索不同顏色及不同降解速率的可降解地膜覆蓋下地膜的破損特征，以及對地表和土壤溫度的影響，并綜合保溫效應以及對作物產量的影響，篩選適合該地區環保、高產的降解地膜，旨為我國綠色農業發展和作物高效高產提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區概括

試驗于2017年在內蒙古河套灌區磴口縣木壘灘節水試驗區(40°31′48″N，106°56′30″E，海拔1 059 m)進行。該區域屬溫帶大陸性季風氣候，熱量充足，年均日照3 200 h，10℃以上活動積溫2 950℃，無霜期135 d，雨量稀少，年均降水量143.9 mm，蒸發量達2 400 mm。地下水埋深在3 m以下，水質符合灌溉水質標準。供試土壤質地為粘性土壤，2017年生育期日均氣溫為23.18℃，日均太陽輻射為22.64 MJ/(m2·d)(圖1)。

圖1 作物生育期氣溫和太陽輻射Fig.1 Temperature and solar radiation during crop growth stage

1.2 試驗材料與設計

本試驗供試作物為玉米(品種：先鋒32D22)，是當地的主要品種，采用一膜兩行種植方式，行距為60 cm，株距為50 cm，種植密度3.3株/m2。試驗所用黑色和白色塑料地膜為磴口縣大眾塑料廠生產，黑色和白色氧化生物雙降解膜為山東天壯環保有限公司生產，膜寬均為80 cm，厚度均為0.008 mm。試驗基肥為復合肥料(N含量大于等于28%，P2O5含量大于等于18%，K2O含量大于等于5%)200 kg/hm2，追肥采用尿素(N含量大于等于46%)500 kg/hm2，在拔節期和抽雄期分兩次施入。利用水泵抽地下水進行畦灌，用水表計量水量，生育期分別于6月2日、7月5日、7月20日、8月11日灌水4次。試驗設置白色塑料膜(WP)、黑色塑料膜(BP)，白色生物降解膜快速(WO1)、中速(WO2)、慢速(WO3)，黑色生物降解膜快速(BO1)、中速(BO2)、慢速(BO3)8種地膜覆蓋處理(可降解地膜根據所添加降解助劑含量設計誘導期為快速60 d、中速80 d、慢速100 d)，以不覆膜(CK)作為對照，共9個處理，每個處理重復3次，各小區隨機分布，每個處理小區面積60 m2(6 m×10 m)。

1.3 觀測項目與方法

氣象數據：在試驗區中間設置自動氣象站(HOBO-U30型)，每小時自動記錄降水量、太陽輻射、空氣溫度、空氣濕度、風速等。

土壤地表溫度：采用Fluck公司生產的熱成像儀(Ti45型，測量范圍為-20～600℃，熱敏感度：≤0.08℃(80 mK)，30℃時，分辨率：0.1℃；最小聚焦距離：0.15 m)。覆膜后在每個小區隨機選取3處設定固定觀測區(覆膜株間)，用鐵絲圈定范圍，面積為30 cm×30 cm，于覆膜后1、30、60、90、130 d的10：00—12：00期間，在設定的固定區域拍攝熱成像圖，每個區域拍攝至少3次以上，利用SmartView軟件對熱成像圖進行處理，并導出不同區域地膜表面溫度數據。

土壤耕層溫度：采用北京惠澤農科技有限公司生產的溫度傳感器(HZR-8T型，測量范圍為-40～60℃，精度為±(0.2～0.5)℃，分辨率為0.1℃)進行連續傳感監測，分別在每個小區膜上及膜間0～15 cm、15～30 cm土層垂直埋設溫度傳感探頭，每5 min測量1次，每2 h進行平均并自動記錄。

地膜破損率：每個生育期將相機固定在設定的地膜觀測區(與熱成像區域一致)正上方40 cm處，在區域邊界放置直尺作為參考物，每次拍攝3張照片，篩選最清晰的一張導入AutoCAD 2008(Autodesk, Inc.)中，以參考直尺為標準將圖片標準化，再利用多段線命令勾描破損處以形成閉環區域，輔以面積統計命令逐個統計研究區域破損面積，用以計算地膜破損占比，計算公式為

式中D——地膜破損占比，%

Si——研究區第i個破損面積

S——研究區總面積

產量：收獲時每個小區隨機選取5株作物測量葉、莖、花盤的干物質量及籽粒數、百粒質量和籽實的干質量，最后折算為每公頃產量。

1.4 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2007軟件進行數據處理和制圖，SPSS 20.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同地膜覆蓋下不同生育期觀測區瞬時地表溫度變化特征

基于熱成像儀對不同生育期不同覆膜處理的不同區域地表溫度采樣分析可知(表1)，不同生育期黑白地膜表面溫度大小順序為：黑膜處理、白膜處理、無膜處理(CK)，且破損面積占比在不同生育期均為黑色降解膜略大于白色降解膜，但均遠大于普通塑料地膜(P<0.05)。覆膜60 d后快速降解地膜進入降解期，中速和慢速也開始逐漸發生破損，由表1可知覆膜90 d和130 d后，黑色降解膜平均破損占比達到21.54%、47.40%，白色降解膜為18.58%、43.74%，黑色降解膜平均破損占比是白色降解膜破損占比的1.2倍和1.1倍，且從生育期破損監測結果看，白色和黑色降解膜平均破損占比分別為24.12%和27.37%，黑色降解膜破損占比高于白色降解膜3.25個百分點。不同降解速率降解膜破損占比差異顯著，生育期快、中、慢3種降解速率的白色降解膜平均破損占比分別為30.17%、22.21%和17.91%，而3種黑色降解膜平均破損占比則分別為35.15%、24.65%和19.79%。

表1 不同生育期不同處理地膜破損區和覆蓋區瞬時表面溫度特征Tab.1 Surface temperature characteristics of damaged and undamaged mulching areas at different growth stages

對5—9月地表溫度進行平均，得到不同處理逐月平均值(表1)，由于5個生育階段環境溫度不同，不同處理地表溫度從最高溫度58.0℃逐漸下降到最低溫度9.3℃。覆膜能明顯提高地表溫度(表1，圖2)，而白色地膜由于部分能量反射，地表瞬時溫度低于黑色地膜，生育期黑色塑料地膜(BP)、白色塑料地膜(WP)和無膜(CK)平均溫度分別為34.10、32.34、29.12℃ (P<0.05)。同樣，降解膜處理的覆蓋區地表溫度平均大于破損區，如覆膜90 d后，白色和黑色降解膜覆蓋區地表溫度分別比其破損區高0.4℃和1.9℃，覆膜130 d后，黑色降解膜覆蓋區比破損區高1.2℃，所以隨著破損加大會明顯影響區域的保溫效果。而不同降解速率的降解膜對地表溫度沒有明顯影響，不同降解速率的降解膜對地表溫度的影響主要通過破損占比影響區域保溫效果，如覆蓋90 d后，白色降解膜快速(WO1)、中速(WO2)、慢速(WO3)的破損占比分別為27.01%、18.87%和9.86%，破損區地表溫度分別降低0.3、0.2、0.1℃，從而導致整個區域地表溫度下降0.88%、0.72%和0.33%，而覆膜130 d后，WO1、WO2、WO3降解膜地表溫度下降了4.35%、0.56%和0.37%，而黑色降解膜在覆膜90 d后，分別下降4.93%、2.32%和0.87%，覆膜130 d后，分別下降6.98%、3.35%和2.00%。從表1可以看出，在不同階段破損明顯較小的白色塑料地膜和黑色塑料地膜處理在不同階段溫度變異較小，而降解膜則由于在不同位置發生局部破損導致區域溫度變異性增大，同時在作物生長中后期，破損較大，從地表溫度二維圖的溫度差異變化能在一定程度看出地膜快速降解期的破損情況(圖2)。

圖2 不同地膜覆蓋下地表溫度變化規律Fig.2 Surface soil temperature changing rules under different film mulchings

2.2 不同地膜覆蓋下不同土層地溫逐時變化規律

圖3 不同地膜覆蓋下生育期內0～15 cm土層地溫日變化規律Fig.3 Diurnal variations of soil temperature in 0～15 cm soil layer under different film mulchings

圖4 不同地膜覆蓋下生育期內15～30 cm土層地溫日變化規律Fig.4 Diurnal variations of soil temperature in 15～30 cm soil layer under different film mulchings

總體上地溫逐時變化曲線呈“S”型(圖3)，最低溫度在7：00，最高溫度在15:00。0～15 cm土層地溫日內變幅較大，平均最高和最低溫差達10.44℃，15～30 cm土層地溫變幅相對較小，平均為3.74℃，且15～30 cm土層地溫有滯后現象，最高溫在17：00(圖4)。地膜覆蓋能明顯提高土壤上層(0～15 cm)土壤溫度，白色塑料地膜覆蓋日最高地溫和最低地溫分別比裸地處理高4.51℃和4.11℃，黑色塑料地膜覆蓋則為3.14℃和2.79℃。而在土壤下層(15～30 cm)，不同處理地溫差異減小，白色和黑色塑料地膜處理日最高地溫分別比裸地處理高3.20℃和2.44℃。白色地膜處理在不同時刻地溫均高于黑色地膜處理，在0～15 cm土層，白色地膜處理日最高、最低和平均地溫比黑色地膜處理分別高1.06、1.22、0.18℃，特別在日最高溫度時刻(15:00)，黑色地膜處理比白色地膜處理平均低1.1℃。可見，黑色地膜處理可以有效降低0～15 cm土層的土壤溫度，有利于玉米生長。而不同降解速率的降解膜處理地溫在苗期和拔節-抽雄期差異較小，在0～15 cm土層，白色快速和慢速降解膜處理平均溫差為1.05℃，對應的黑色降解膜處理平均溫差為0.59℃，而15～30 cm土層差異更小，白色和黑色降解膜處理分別為0.94℃和1.13℃。但是在生育后期特別是成熟期，隨著降解地膜降解和破損加劇，不同降解速率的降解膜覆蓋下土壤溫差加大，在0～15 cm土層白色快速和慢速降解膜處理平均溫差為2.50℃，黑色降解膜處理為1.77℃。且不同時刻不同降解速率地膜覆蓋下土壤溫差呈顯著差異，慢速降解膜(BO3和WO3)與塑料地膜(BP和WP)覆蓋下地溫無顯著差異(P>0.05)。可見，慢速降解膜覆蓋保溫效果與塑料地膜覆蓋相當，同時，不同顏色地膜覆蓋相比較，在作物生長后期黑色地膜覆蓋具有一定的降溫效果。

2.3 不同地膜覆蓋下不同土層地溫逐日變化規律

由圖5可知，不同地膜覆蓋下土壤溫度均高于裸地對照，播種后(5月17日)至玉米生長中期(7月16日)土壤溫度總體呈增長趨勢，而8月以后，地溫逐漸呈下降趨勢。受外界環境溫度和太陽輻射影響，0～15 cm土層溫度整體高于15～30 cm土層溫度，且波動范圍較大。由于在5月(出苗期)作物較小，地表受太陽直射，9月(收獲期)葉片大面積凋萎，地面的透光度也增加，而白色地膜透光率大于黑色地膜，從而導致這兩個月白色地膜覆蓋下土壤溫度顯著高于黑色地膜，白色塑料膜覆蓋下0～15 cm土層平均溫度顯著高于黑色塑料膜覆蓋 (P<0.05)，平均分別高1.21℃和1.04℃(表2)，在6—8月，玉米處于生育中期，枝繁葉茂，太陽透光度減弱，地面直接接收太陽輻射減弱，此時不同顏色地膜覆蓋下的土壤溫度差異較小，6、7、8月黑色塑料膜覆蓋下0～15 cm土層土壤平均溫度分別比白色塑料地膜覆蓋下低0.64、0.36、0.34℃。由圖5可知，覆膜處理地溫明顯高于裸地處理，白色地膜處理溫度高于黑色地膜處理，塑料地膜處理高于降解膜處理。WP、BP、WO、BO處理生育期0～15 cm土層平均地溫分別比CK處理高4.62、3.73、2.59、1.98℃，15～30 cm土層則分別高3.70、3.06、1.64、1.19℃。

不同降解速率的白色降解膜處理在0～15 cm土層溫度均高于對應的黑色降解膜處理，而在15～30 cm土層，則無顯著差異(P>0.05)。由于降解地膜最短誘導期為2個月，故同一顏色地膜在5、6月差異很小，而在7—9月差異逐漸增加，特別是9月由于快速降解地膜破損較大，導致0～15 cm土層WP、WO3、WO2與WO1(快速降解)的溫差分別達到3.03、2.70、1.05℃，黑色地膜處理對應的溫差也達到3.00、2.57、1.01℃。可見不同降解膜處理在玉米生長前期與塑料地膜覆蓋下的地溫并無明顯差異，保溫效果良好，而在玉米生長中后期，由于降解地膜開始破損，保溫效果開始下降，不同降解速率和不同顏色的降解膜保溫效果產生差異。

圖5 不同地膜覆蓋下玉米生育期0～15 cm和15～30 cm土層地溫變化規律Fig.5 Soil temperature variations in growth stage under different film mulchings for 0～15 cm and 15～30 cm soil layers

Tab.2 Average soil temperature of different months under different film mulchings℃

注：同列相同字母表示差異不顯著(P>0.05)，不同字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

不同地膜覆蓋下的土壤溫度差異如表3、4所示。各處理0～15 cm土壤溫度變化程度均大于15～30 cm土層。裸地0～15 cm和15～30 cm土壤溫度最大溫差分別比塑料地膜覆蓋下高3.39℃，比可降解地膜覆蓋下高2.98℃。由熱力學第二定律知，在自然條件下熱量只能從高溫物體向低溫物體轉移，而不能由低溫物體自動向高溫物體轉移。在白天，氣溫逐漸上升，各處理土壤溫度上升，此階段熱量運動主要以外界熱量進入土壤為主，但各覆膜處理的土壤溫度低于裸地，說明地膜覆蓋對于外界熱量進入土壤有阻礙作用，在夜間，氣溫下降，各處理土壤溫度下降。該階段熱量運動主要以土壤中熱量散失至空氣中為主，但覆膜處理下的土壤溫度卻要高于裸地土壤溫度，說明地膜覆蓋對于土壤中熱量的散失有一定的阻礙作用。可見，地膜覆蓋對土壤中的熱量具有一定的雙向阻礙作用，故可以有效抑制土壤溫度的波動幅度。

不同類型地膜之間，降解速率較快的BO1和WO1處理在0～15 cm土壤溫差分別為11.80℃和11.84℃，差異不顯著(P>0.05)。而生育期內幾乎未發生破損的塑料地膜BP和WP處理0～15 cm土壤溫差分別為11.09℃和10.99℃，變化幅度小于可降解膜快速處理。另外從溫度方差也可知，塑料地膜處理地溫變幅小于降解膜處理，可降解膜快速、中速、慢速的溫度方差在0～15 cm土層分別比塑料地膜高18.27%、14.30%、5.74%，比裸地對照低7.43%、10.54%、17.24%。不同降解速率可降解膜覆蓋下0～15 cm土壤溫差由大到小為快速、中速、慢速，其中，可降解膜慢速覆蓋下0～15 cm土壤溫差為11.18℃，與塑料地膜差異不顯著(P>0.05)。進一步說明地膜覆蓋可以影響0～15 cm土壤溫度的波動范圍，地膜表面完整度越好，不同深度土壤溫度波動越小，反之則越大。不同顏色地膜覆蓋下，黑色地膜覆蓋下0～15 cm土壤溫度差異為11.37℃，與白色地膜(11.33℃)差異不顯著(P>0.05)。

表3 白色地膜覆蓋下土壤溫度差異Tab.3 Soil temperature difference under white film mulching ℃

表4 黑色地膜覆蓋下土壤溫度差異Tab.4 Soil temperature difference under black film mulching ℃

2.4 不同地膜覆蓋對玉米產量的影響

覆膜處理的產量均高于裸地對照(表5)。不同顏色塑料地膜覆蓋相比較，BP處理的產量最高，為12 834.77 kg/hm2，與WP處理(11 944.85 kg/hm2)差異顯著(P<0.05)。不同顏色降解地膜覆蓋相比較，BO3處理產量最高，達到12 607.01 kg/hm2，顯著高于其他處理。BO2處理的產量大于WO2，而BO2、WO2和WO3處理的產量差異顯著(P<0.05)，各處理的產量由大到小為BO3、WO3、BO2、WO2、WO1、BO1。BO1和WO1處理因為降解速率較快，玉米生育期內保溫效果不明顯，產量較低，分別為9 554.40、10 192.96 kg/hm2，差異不明顯(P>0.05)。塑料地膜與降解地膜覆蓋相比較，BP處理產量最高，與BO3處理差異不明顯(P>0.05)，BP較BO1、BO2和BO3處理增產34.3%、18.9%、1.8%。BO3處理的產量較WP增產5.5%。WP較WO1、WO2和WO3處理增產17.2%、13.2%、2.8%。不同地膜覆蓋對玉米生長環境的改變主要表現為對土壤溫度影響的差異。土壤溫度差異影響玉米根系生長，黑色地膜覆蓋較其他處理延緩了根系的衰老，生育期延長，使得產量提高[19]。從經濟性和應用效果看，在實際應用中可采用黑色慢速降解地膜替代塑料地膜。

3 結論

(1)黑色可降解膜因為對熱輻射的吸收能力強，溫度升高快，促進降解助劑發揮作用，在相同覆膜時間后黑色降解膜的破損大于白色降解膜，覆膜90 d和130 d后，黑色降解膜平均破損占比是白色降解膜破損占比的1.2倍和1.1倍。基于紅外熱成像技術獲得地表瞬時溫度由大到小順序為黑膜處理、白膜處理、無膜處理，生育期平均溫度分別為34.10、32.34、29.12℃(P<0.05)。在地膜破損期白色和黑色降解膜覆蓋區平均地溫比破損區高0.4℃和1.6℃，隨著破損加大，地溫變異也加大。不同降解速率的降解膜對地溫的影響主要由破損不同所致，其中黑色快、中、慢降解膜在覆膜130 d后由于破損導致地溫下降6.98%、3.35%和2.00%。

表5 不同地膜覆蓋下玉米產量及其構成因素Tab.5 Effects of different mulchings on maize yield and its components

(2)0～15 cm土層地溫日內變幅較大，平均最高和最低溫差達到10.44℃，明顯高于15～30 cm土層日3.74℃的地溫變幅。與地表瞬時溫度不同，不同顏色地膜覆蓋溫度由大到小順序為：白膜處理、黑膜處理、無膜處理，且黑色地膜可以有效降低0～15 cm土層的土壤溫度，特別在每日最高溫度時刻(15:00)，黑色地膜覆蓋比白色地膜覆蓋平均低1.1℃。在生育前期不同降解速率地膜覆蓋溫差較小，而在破損期則差異變大，在0～15 cm土層白色快速和慢速降解膜覆蓋下平均溫差達到1.05℃，黑色降解膜覆蓋為0.59℃，由于慢速降解膜破損小，保溫效果與普通地膜覆蓋相近。

(3)逐日數據顯示，在玉米生長初期(5月)和末期(9月)，在0～15 cm土層白色地膜覆蓋地溫比黑色地膜平均高1.13℃(P<0.05)，而生育中期(6—8月)，白色地膜覆蓋僅比黑色地膜覆蓋高0.45℃。同顏色不同降解速率地膜覆蓋，地溫在5、6月差異較小，而7—9月差異逐漸增加，在9月0～15 cm土層WP、WO3、WO2與WO1處理(快速降解)的溫差分別達到3.03、2.70、1.05℃(P<0.05)，黑色地膜覆蓋對應的溫差也達到3.00、2.57、1.01℃(P<0.05)。覆膜可降低土壤溫度變幅，可降解膜快速、中速、慢速的溫度方差在0～15 cm土層分別比塑料地膜高18.27%、14.30%、5.74%，比裸地對照低7.43%、10.54%、17.24%。

(4)白色和黑色慢速降解膜覆蓋與對應的塑料膜覆蓋相比，產量無顯著差異，但同顏色不同降解速率的降解膜覆蓋下產量呈顯著差異(P<0.05)，不同降解速率降解膜覆蓋下產量由大到小順序為：慢速處理、中速處理、快速處理。